OS-MMK_QoSCoS_051102

Oberseminar:
Multimediale Kommunikation
Thema: Quality of Service, Class of Service
Mike Bendler, Marius Herrmann
02.11.2005
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Geschichte des Ethernet

Ethernet = verbindungsloses Kommunikationsprotokoll in
Computernetzwerken, basierend auf Paketvermittlung

Ethernet abgeleitet vom ALOHAnet, welches von der Universität von
Hawaii in den 1960er Jahren entwickelt wurde

1976 veröffentlichte Dr. Robert Metcalfe mit David Boggs den
Vortrag „Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer
Networks“

1979 verließ Dr. R. Metcalfe das Xerox Palo Alto Research Center
und gründete die Firma 3Com; dort konnte er Xerox, Intel und DEC
davon überzeugen, Ethernet zum Standard in LANs zu machen

Diese Standardisierungsbemühungen mündeten schließlich im
IEEE802.3 Standard, der 1985 verabschiedet wurde und die
wesentlichen technischen Merkmale des 10Mbit/s Ethernet
beinhaltete (MAC, PLS, AUI, 10Base5).
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Entwicklung des Ethernet

Diese Skizze fertigte Dr. R. Metcalfe an, um das Ethernet 1976 auf
der „National Computer Conference“ zu präsentieren.
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3
Funktionsweise des Ethernet

Dem Ethernet liegt die Idee zugrunde, dass alle Netzwerkteilnehmer
ein gemeinsames Medium benutzen, um ihre Daten miteinander
auszutauschen.  Shared Medium LAN

Laut IEEE802.3 Standard sind als Übertragungsmedien
Koaxialkabel, Twisted Pair Kabel sowie Lichtwellenleiter
verwendbar.

Jeder Netzwerkadapter hat eine global eindeutige 48-Bit-Adresse,
die als MAC-Adresse bezeichnet wird.

Der Zugriff auf das Übertragungsmedium wird durch den CSMA/CDAlgorithmus geregelt.  Carrier Sense Multiple Access with
Collision Detection

Bedingt durch das CSMA/CD-Verfahren ist die Paketlänge im
Ethernet auf mindestens 64 Byte festgelegt.
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Ethernet-Frame

Preamble = dient zur Synchronisation der Netzwerkgeräte

SFD = Start Frame Delimiter; zeigt Beginn des eigentlichen Frame an

Dest.-Addr. = die 48-Bit-Adresse des Empfängers

Source-Addr. = die 48-Bit-Adresse des Senders

Type = gibt Auskunft über das verwendete Protokoll der 3. Schicht

Daten = enthält die Nutzdaten, ggf. aufgefüllt auf 64 Byte Länge

FCS = Frame Check Sequence; 32-Bit-CRC-Prüfsumme

Inter Frame Gap = Pausezeit zwischen zwei Ethernet-Frames
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Geschichte ATM

ATM = Asynchronous Transfer Mode

Standardisierungsgremien ITU (International Telecommunication
Union) insbesondere ITU-T (ITU - Telecommunication Standardization
Bureau)

1986 ITU-T verabschiedet den Standard für B-ISDN.

1989 ITU-T einigt sich auf ein Zellformat (53 Bytes)

ATM-Forum wurde 1991 von Telekommunikations- und
Netzwerkunternehmen gegründet, u.a. Cisco, Net/Adaptive, Northern
Telecom, US Sprint

Aufgaben: Forcierung der Entwicklung und Einführung der ATMTechnologie am Markt

1993 erste Verabschiedungen zum ATM-Standard der ITU-T
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ATM-Technologie

Das Anwachsen der Rechenleistung und Speicherkapazität von
Arbeitsplatz- und Privatrechnern sowie die fortschreitende
weltweite Vernetzung führte dazu, dass auch die Anforderungen
an die Netzwerktechnologien stiegen.

Insbesondere die Übertragung von Multimedia Daten (Audio und
Video auch in Echtzeit)

ATM-Modell drei Dimensionen:
 Management Plane (Netzwerkmanagement)
 Control Plane (Signalisierung, Traffic Management)
 User Plane
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ATM-Referenzwürfel
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ATM-Technologie (Schichten)

Physical Layer
 Stellt Funktionen zum Transport auf Medium bereit.
 Benutzbare Medien sind Twisted Pair sowie Monomode als auch
Multimode Lichtwellen Leiter )

ATM Layer
 ATM spezifischer Zelltransport
 Zeitmultiplexing (ATD-Multimplexing)

Adaption Layer
 Dienstspezifische Anpassung an ATM-Schicht
 Verschiedene AAL (ATM-Adaption Layer) Typen
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ATM-Zelle

ATM-Zelle:

GFC – Steuerung der Zelleneingliederung in den Datenstrom
VPI / VCI – Kennung der Zieladressen; Routing der Zellen in den Knoten

PLT – Art der Daten (z.B. Benutzerdaten, Wartungsinformationen etc.)

CLP – Angabe, ob Zelle bei Überlastung gelöscht werden darf

HEC – Korrektheit des Headers prüfen, vom Physical Layer berechnet

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Dienstgüteklassen ATM

CoS (Class of Service):
 Klasse A - realisiert Übertragungsvorgänge mit konstanter
Bitrate (CBR), die einer Leitungsvermittlung entsprechen und
z.B. bei unkomprimierter Videoübertragung auftreten.
 Klasse B - dient für die Übertragung mit variabler Bitrate
(VBR), etwa bei komprimiertem Audio und Video.
 Klasse C - ermöglicht verbindungsorientierte
Datenübertragung
 Klasse D - die verbindungslose Datenübertragung (ABR und
UBR). ABR...Average Bit Rate; UBR...Unspecified Bit Rate
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AAL Typen

Dienstgüteklassen eng mit AAL-Typen verbunden
Eigenschaft
AAL Typ 1
AAL Typ 2
AAL Typ 3
AAL Typ 4
AAL Typ 5
Synchronisation
ja
ja
nein
nein
nein
Bitrate
konstant
(CBR)
variabel
(VBR)
variabel
(ABR/UBR)
variabel
(ABR/UBR)
variabel
(ABR/UBR)
Übertragungsverbindungsmodus
verbindungsorientiert
verbindungsorientiert
verbindungsorientiert
verbindungslos
verbindungslos
Steuerbyteinformationen pro
ATM-Zelle
1 Byte
1 Byte
4 Byte
0 Byte
0 Byte
Fehlersicherung der Nutzdaten
durch CRC
nein
nein
ja
ja
ja
Beispiel
Leitungsemulation
Videoübertragung
Datenübertragung
Datenübertragung
Datenübertragung
Class of Service
Class A
Class B
Class C
Class D
Class C
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QoS Parameter

Folgende Parameter sind im Vertrag verhandelbar
Parameter
Akronym
Bedeutung
Peak Cell Rate
PCR
Maximale Rate, mit der die Zellen übertragen werden
Sustained Cell Rate
SCR
Langfristiger Durchschnitt der Zellrate
Minimum Cell Rate
MCR
Die als Minimum akzeptierte Zellrate
Cell Delay Variation Tolerance
CDVT
Das als Maximum akzeptierte Zellengitter
Cell Lose Ratio
CLR
Der verlorene oder zu spät zugestellte Bruchteil von
Zellen
Cell Transfer Delay
CTD
Dauer der Zustellung (Mittel und Maximum)
Cell Delay Variation
CDV
Abweichung in der Zustellzeit von Zellen
Cell Error Rate
CER
Der fehlerfrei zugestellte Bruchteil von Zellen
Severely-Errored Cell Block Ratio
SECBR
Der verstümmelte Bruchteil von Blöcken
Cell Misinsertion Rate
CMR
Der an das falsche Ziel zugestellte Bruchteil von Zellen
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QoS Parameter (II)

Die Cell Rate Parameter bestimmen, wie schnell ein Benutzer Daten
übertragen will. Bei AAL Typ 1, also CBR-Verkehr, entspricht die SCR
dem Wert der PCR, bei allen anderen Dienstklassen ist der Wert der
SCR deutlich kleiner. Für den ABR Dienst muss die tatsächliche
Bandbreite zwischen MCR und PCR liegen, kann aber während der
Verbindung schwanken. Sollten die Vertragspartner sich auf eine
MCR von 0 einigen wird der ABR Dienst zu einem UBR Dienst.

Die Cell Delay Variation Tolerance (CDVT) bezeichnet die
Abweichung in den Übertragungszeiten von Zellen.

Die Parameter CLR, CTD und CDV werden beim Empfänger
gemessen. Die CLR misst den Bruchteil der übertragenen Zellen, die
nicht oder zu spät beim Empfänger ankamen. Das CTD ist die
durchschnittliche Zeit von der Quelle zum Ziel und die Cell Delay
Variation (CDV) misst die Gleichförmigkeit, in der die Zellen
übertragen werden.

Die übrigen QoS-Parameter spezifizieren Merkmale des Netzes.
Diese können meist nicht verhandelt werden.
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Dienstgüte im Ethernet

im Ethernet-Standard sind keine Dienstgüteklassen vorgesehen
 zum Zeitpunkt seiner Entwicklung Anfang der 1980er Jahre
ermöglichte die Leistungsfähigkeit der Workstations noch nicht
die Multimediadatenübertragung wie heute üblich

Verbindungslose Funktionsweise
 aktuelle Belastung des Netzwerkes nicht direkt feststellbar

Bandbreitenerhöhung von 10Mbit/s auf 100Mbit/s (Fast Ethernet)
brachte Leistungssteigerung

dennoch keine Verbindungsgarantien, da bei mehreren
Netzwerkteilnehmern immer mit Paketfehlern und Paketverlusten zu
rechnen ist

Priorisierung von Datenströmen nur auf höherer Schicht
 Internet Protocol (IP) bietet Type-of-Service-Field
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Dienstgüte im Gigabit Ethernet

1000Mbit/s Bandbreite ermöglicht sehr hohe Durchsatzraten
 Paketfehler weniger kritisch als noch bei Fast Ethernet

Flusskontrolle nach IEEE 802.3x
 MAC Control Frame signalisiert Überlastung des Empfängers,
dadurch wird das Verwerfen von Paketen verhindert

durch automatische Begrenzung der nutzbaren Bandbreite auf
ca. 2/3 der nominellen Rate (vergleichbar 622 Mbit/s bei ATM)
werden Überlastsituationen vermieden
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Vorteile ATM

Durch die verbindungsorientierte Kommunikation ist es leicht möglich
Garantien für die Leitungsqualität zu geben.

Die verhandelten Qualitäten stehen dann während der gesamten
Verbindung zur Verfügung.

Bestimmte Daten werden priorisiert transportiert, damit ist ATM
optimal für den Transport von zeitsynchronen Daten wie
Videokonferenzen und Telefonaten geeignet.

Das Übertragungsmedium kann besser ausgelastet werden, da keine
Leitungsreserven vorhanden sein müssen.
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Vorteile Ethernet

Ethernet-Standard weltweit etabliert und in lokalen Netzen seit 1990
„quasi konkurrenzlos“

Netzwerkadapter technisch wenig komplex und klein konstruierbar,
durch hohe Stückzahlen geringe Kosten pro Adapter

durch stetige Weiterentwicklung und Verbesserung im Rahmen der
IEEE802-Workgroups werden neue Funktionalitäten in die
Netzwerkinfrastruktur integriert und damit die Zukunftssicherheit des
Ethernet garantiert

Auto-Negotiation-Funktion der Netzwerkadapter garantiert
Abwärtskompatibilität
= Netzwerkanschluss wird auf seine Bandbreite hin überprüft
 moderne Ethernet-Komponenten können mit alten Installationen
problemlos kombiniert betrieben werden

Ethernet-Frame enthält Checksumme zur Fehlererkennung
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Vergleich ATM - Ethernet
Ethernet
ATM
10,100,1000 Mbit/s
2 bis 622 Mbit/s
Verbindungsmechanismus
Verbindungslos
Verbindungsorientiert
Paketstruktur
Variable Länge
Feste Länge
Broadcasting
Ja
Nur über zusätzliche
Mechanismen
Flusskontrolle
Bedingt
Ja
Oberhalb Layer 3
Ja
Nur oberhalb Layer 3
Ja
Automatische
Geschwindigkeitsanpassung
Ja
Ja
Unterstützung durch Betriebssysteme
Ja
Bedingt
Gering
Hoch
Sehr Hoch
Mittel
Gering
Mittel
Durchsatz
Prioritäten
QoS
Komplexität
Marktakzeptanz
Preis
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Diskussionsanregung

ATM:
 QoS-Funktionalität
 Optimale Auslastung des Netzwerkmediums
 622Mbit/s Bandbreite

Gigabit Ethernet:
 Hoher Verbreitungsgrad
 Einfache technische Realisierbarkeit
 Flusskontrollmechanismus
 1Gbit/s Bandbreite

Warum findet ATM kaum Anwender?

Warum konnte erst mit Gigabit Ethernet zu ATM aufgeholt werden?

Wie sieht die nähere Zukunft für beide Technologien aus?
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Literaturhinweise

Ausarbeitung im Fach Hochgeschwindigkeitsnetze (SS 2005) zum
Thema: „QoS und CoS bei ATM- /FE- und GE-Netzwerken“ von
Mike Bendler und Marius Herrmann;
http://www.imn.htwk-leipzig.de/~mherrma3/ausarbeitung/
QoS_ATM-FE-GE_2005-0823.pdf

http://www.parc.com/about/history/

http://www.tcp-ip-info.de/tcp_ip_und_internet/ethernet.htm

http://www.acm.org/classics/apr96/

http://www.lrz-muenchen.de/services/schulung/
unterlagen/atm/sld009.htm
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